工程力學(xué)緒論2

1、工 程 力 學(xué),考試成績(jī)：期末考試70%+平時(shí)成績(jī)20 % +實(shí)驗(yàn)10%,第1章 緒論,1.1 什么是工程力學(xué) 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧 1.3 工程力學(xué)的研究方法 1.4 工程力學(xué)的基本研究主線,1.1 什么是工程力學(xué),力學(xué)是研究力與運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。大到宇宙，小到基本粒子，力與運(yùn)動(dòng)無(wú)所不在。,1.1 什么是工程力學(xué),力學(xué)的地位,力學(xué)橫跨自然科學(xué)與工程技術(shù)。,1.1 什么是工程力學(xué),力的作用與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是自然界和人類(lèi)活動(dòng)最基本的現(xiàn)象，它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)，這奠定了力學(xué)在科學(xué)體系中的基礎(chǔ)（科學(xué)）地位。 力學(xué)以工程和自然界的真實(shí)介質(zhì)和系統(tǒng)為研究對(duì)象，絕大多數(shù)科學(xué)技術(shù)和工程領(lǐng)域不斷提出大量新的

2、力學(xué)問(wèn)題急需解決，力學(xué)植根于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)門(mén)類(lèi)。這又奠定了力學(xué)的工程技術(shù)地位。,1.1 什么是工程力學(xué),工程力學(xué)是力學(xué)學(xué)科的一個(gè)分支,工程力學(xué)是研究實(shí)際工程中的力學(xué)問(wèn)題，并將力學(xué)原理應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)。,1.1 什么是工程力學(xué),工程力學(xué)課程的主要內(nèi)容,靜力學(xué) 材料力學(xué),1.1 什么是工程力學(xué),什么是靜力學(xué)？,靜力學(xué)又稱剛體靜力學(xué)，主要是研究剛性物體在平衡狀態(tài)時(shí)的受力問(wèn)題。 剛性物體是假定物體不變形的一種理想化狀態(tài)。 平衡狀態(tài)是一種特殊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。,1.1 什么是工程力學(xué),什么是材料力學(xué)？,材料力學(xué)以變形固體為研究對(duì)象，主要研究變形固體的受力、變形、破壞的一門(mén)科學(xué)。,1.1 什么

3、是工程力學(xué),如何確保施工中的橋梁面板正確對(duì)接？,橋梁面板如何受力？ 橋梁面板如何變形？ 如何確保橋梁安全服役？（長(zhǎng)期服役不破壞是最基本的要求）,1.1 什么是工程力學(xué),這就需要研究拉索、橋梁面板的受力、變形和破壞時(shí)的安全余量。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,力學(xué)是人類(lèi)科學(xué)歷史上起源最早的學(xué)科之一，來(lái)源于人類(lèi)早期的生產(chǎn)實(shí)踐。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,帕特農(nóng)神廟,建于438B.C.,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,金字塔,有關(guān)力學(xué)最早的文字?jǐn)⑹?墨翟(di)（公元前468382）在他所著的墨經(jīng)里，已對(duì)力和運(yùn)動(dòng)，下了適當(dāng)?shù)亩x： “力，形之所以?shī)^也?！?書(shū)中論述了杠桿的平衡

4、問(wèn)題。指 出，杠桿的平衡不但取決于加在兩端的重量，還與“本”（重臂）、“標(biāo)”（力臂）的長(zhǎng)短有關(guān)，進(jìn)而得出“長(zhǎng)、重者下，短、輕者上”的結(jié)論。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,希臘哲學(xué)家亞里斯多德Aristotle，384B.C.322B.C. 也提出了杠桿平衡問(wèn)題。 同時(shí)還提出了影響今后近2千年的力學(xué)觀點(diǎn)。如地心說(shuō)、物體下落說(shuō)等唯象說(shuō)。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,阿基米德（公元前 287212） 古希臘偉大的數(shù)學(xué)家、力學(xué)家。他和I.牛頓、C.F.高斯并列為有史以來(lái)三個(gè)貢獻(xiàn)最大的數(shù)學(xué)家。在他的兩本著作里，論平面圖形的平衡、論浮體用了明確而普遍的方式.,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,建立了杠桿平衡學(xué)說(shuō)

5、（Relationships for the equilibrium of levers） 奠定了幾何靜力學(xué)（Statics for geometry） 重心靜力學(xué)（Statics for barycenter）,達(dá). 芬奇（14521519） 萊昂納多.達(dá).芬奇是意大利文藝復(fù)興時(shí)期的第一位畫(huà)家，也是整個(gè)歐洲文藝復(fù)興時(shí)期最杰出的代表人物之一。他是一位思想深邃、學(xué)識(shí)淵博、多才多藝的藝術(shù)大師、科學(xué)巨匠、文藝?yán)碚摷?、大哲學(xué)家、詩(shī)人、音樂(lè)家、工程師和發(fā)明家。他在幾乎每個(gè)領(lǐng)域都做出了巨大的貢獻(xiàn)。后代的學(xué)者稱他是“文藝復(fù)興時(shí)代最完美的代表”，是“第一流的學(xué)者”，是一位“曠世奇才”。所有的以及更多的贊譽(yù)他都

6、當(dāng)之無(wú)愧。 提出了力矩(moment)的概念、 自由落體(falling bodies)經(jīng)驗(yàn)公式等,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,芬蘭史蒂芬（15481620）由斜面問(wèn)題的研究，得出了力的合成(composition of forces)與力的分解（Decompose of forces)定律，即力的平行四邊形原理；,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,法國(guó)科學(xué)家法利農(nóng)（1654一1722） 提出了力矩moment定理； 潘索（17771859） 提出了力偶couple of moment的概念及有關(guān)的理 論， 使得靜力學(xué)的理論得到了進(jìn)一步的發(fā)展。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,靜力學(xué)通過(guò)兩千年的發(fā)展，到

7、19世紀(jì)已形成了一門(mén)相對(duì)完整的學(xué)問(wèn)。為當(dāng)時(shí)社會(huì)的簡(jiǎn)單工具、土木建筑、橋梁、交通工具等發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,河北趙縣趙州橋,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,意大利比薩斜塔,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,自然科學(xué)隨同文藝復(fù)興以及社會(huì)的巨大變革開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。力學(xué)通過(guò)漫長(zhǎng)的停滯后在動(dòng)力學(xué)方面得到了迅速發(fā)展。,由于社會(huì)變革，當(dāng)時(shí)從行會(huì)手工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?chǎng)手工業(yè)生產(chǎn)。,研究機(jī)械的運(yùn)動(dòng)和尋找它的規(guī)律的任務(wù)被提了出來(lái)；,航海需要天文學(xué)（天體力學(xué)）的幫助；,在戰(zhàn)爭(zhēng)中廣泛利用火炮，提出了彈道學(xué)這一中心問(wèn)題。,隨著上述任務(wù)的需求，動(dòng)力學(xué)首先得到了發(fā)展。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,哥白尼(14

8、731543) 偉大的波蘭天文學(xué)家，日心說(shuō)的創(chuàng)立者，近代天文學(xué)的奠基人。他的天體運(yùn)行論的太陽(yáng)中心學(xué)說(shuō) ，在科學(xué)界引起了宇宙觀的大革命。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,開(kāi)普勒（15711630） 根據(jù)哥白尼的學(xué)說(shuō)以及其他天文學(xué)家的觀測(cè)資料，得出了行星運(yùn)動(dòng)三大定律，成為牛頓萬(wàn)有引力(universal gravitation)的基礎(chǔ)。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,伽利略(Glileo,15641642) 在科學(xué)史上是一位難得的天才，是意大利文藝復(fù)興后期偉大的力學(xué)家、天文學(xué)家、哲學(xué)家。近代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的開(kāi)拓者，被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”，后人稱他為“科學(xué)實(shí)驗(yàn)之父”。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,伽利略是第一

9、個(gè)把實(shí)驗(yàn)引進(jìn)力學(xué)的科學(xué)家，他利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法確定了一些重要的力學(xué)定律。1582年前后，他經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)學(xué)推算，得到了擺的等時(shí)性定律。離開(kāi)比薩大學(xué)期間，他深入研究古希臘學(xué)者歐幾里得、阿基米德等人的著作。他根據(jù)杠桿原理和浮力原理寫(xiě)出了第一篇題為天平的論文。不久又寫(xiě)了論文論重力，第一次揭示了重力和重心的實(shí)質(zhì)并給出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，因此聲名大振。與此同時(shí)，他對(duì)亞里士多德的許多觀點(diǎn)提出質(zhì)疑。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,在15891591年間，伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)作了細(xì)致的觀察從實(shí)驗(yàn)和理論上否定了統(tǒng)治千余年的亞里士多德關(guān)于“落體運(yùn)動(dòng)法則”確立了正確的“自由落體定律”，即在忽略空氣阻力條件下

10、，重量不同的球在下落時(shí)同時(shí)落地，下落的速度與重量無(wú)關(guān)。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了詳盡研究并給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式，尤其是加速度概念的提出，在力學(xué)史上是一個(gè)里程碑。有了加速度的概念，力學(xué)中的動(dòng)力學(xué)部分才能建立在科學(xué)基礎(chǔ)之上，而在伽利略之前，只有靜力學(xué)部分有定量的描述。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,伽利略曾非正式地提出過(guò)慣性定律（見(jiàn)牛頓運(yùn)動(dòng)定律）和外力作用下物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這為牛頓正式提出運(yùn)動(dòng)第一、第二定律奠定了基礎(chǔ)。在經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立上，伽利略可說(shuō)是牛頓的先驅(qū)。,伽利略還提出過(guò)合力定律，拋射體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并確立了伽利

11、略相對(duì)性原理。這在他晚年寫(xiě)出的力學(xué)著作關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明中除動(dòng)力學(xué)外，還有不少關(guān)于材料力學(xué)的內(nèi)容。例如，他闡述了關(guān)于梁的彎曲試驗(yàn)和理論分析，正確地?cái)喽旱目箯澞芰蛶缀纬叽绲牧W(xué)相似關(guān)系。他指出，對(duì)長(zhǎng)度相似的圓柱形梁，抗彎力矩和半徑立方成比例。他還分析過(guò)受集中載荷的簡(jiǎn)支梁，正確指出最大彎矩在載荷下，且與它到兩支點(diǎn)的距離之積成比例。伽利略還對(duì)梁彎曲理論用于實(shí)踐所應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出工程結(jié)構(gòu)的尺寸不能過(guò)大，因?yàn)樗鼈儠?huì)在自身重量作用下發(fā)生破壞。他根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，動(dòng)物形體尺寸減小時(shí)，軀體的強(qiáng)度并不按比例減小。他說(shuō)：“一只小狗也許可以在它背上馱兩三只同樣大小的狗，但我相信一匹馬也許連一

12、匹和它同樣大小的馬也馱不起?！?1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,伽利略關(guān)于梁的試驗(yàn),1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,惠更斯Christiaan Huygens16291695,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,在論物體的碰撞運(yùn)動(dòng)中 對(duì)碰撞問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的討 論。他討論的前提是：慣性 定律，碰撞是完全彈性的。 他提出13個(gè)命題，得到了一 些重要的定律。如：“兩個(gè)物 體相互碰撞時(shí)，它們的質(zhì)量 乘其速度平方之和在碰撞前 后保持不變?！保?669年）,牛頓 (Isac ewton，1642-1727),1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,牛頓對(duì)整個(gè)自然科學(xué)的最重 要的貢獻(xiàn)是他的巨著自然 哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理。這本書(shū) 出版于168

13、7年，書(shū)中提出了 萬(wàn)有引力理論并且系統(tǒng)總結(jié) 了前人對(duì)動(dòng)力學(xué)的研究成果 后人將這本書(shū)所總結(jié)的經(jīng)典 力學(xué)系統(tǒng)稱為牛頓力學(xué)。,自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理最早版本,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,在整個(gè)18、19世紀(jì)里，牛頓成為整個(gè)自然科學(xué)的偶像。牛頓與牛頓力學(xué)的影響所以這樣大，是由于：,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,首先，牛頓力學(xué)最后證明了力學(xué)原理不僅能適用于地球上的石頭下落，也適用于天上的星球運(yùn)動(dòng)。它是普遍適用的。牛頓力學(xué)進(jìn)一步支持了哥白尼學(xué)說(shuō)，而且將它發(fā)展到新階段。,科學(xué)總是以客觀規(guī)律取代神或人造的各種成見(jiàn)。牛頓在原理中的名言：“我不虛構(gòu)假設(shè)”，這是科學(xué)的宣言。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,其次，在科學(xué)的方法

14、論上，是從實(shí)驗(yàn)和 觀察歸納總結(jié)出規(guī)律，然后依據(jù)這規(guī)律指導(dǎo)人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)新的現(xiàn)象。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,在供奉國(guó)王和國(guó)王加冕的西敏寺，僅擺了兩位科學(xué)家的雕刻：牛頓、達(dá)爾文。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,經(jīng)典力學(xué)是從哥白尼提出的太陽(yáng)中心學(xué)說(shuō)開(kāi)始，由伽利略奠基，而由牛頓總其成的。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,值得注意的是：,最偉大的科學(xué)家?guī)缀醵技性谶@一學(xué)科，如伽利略、惠更斯、牛頓、胡克、萊布尼茲、伯努利、拉格朗日、歐拉、達(dá)朗伯等。由于這些杰出科學(xué)家的努力，借助于當(dāng)時(shí)取得的數(shù)學(xué)進(jìn)展，使力學(xué)取得了十分輝煌的成就，在整個(gè)知識(shí)領(lǐng)域中起著支配作用。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,進(jìn)入19世紀(jì)后，歐洲各主要

15、國(guó)家相繼完成了工業(yè)革命，大機(jī)器工業(yè)生產(chǎn)對(duì)力學(xué)提出了更高的要求。為適應(yīng)當(dāng)時(shí)土木建筑、機(jī)械制造和交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，主要是材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)得到了發(fā)展和完善。建筑、機(jī)械中出現(xiàn)的大量強(qiáng)度和剛度問(wèn)題，由材料力學(xué)或結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。作為探索普遍規(guī)律而進(jìn)行的基礎(chǔ)研究，彈性力學(xué)也取得了很大的進(jìn)展。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,20世紀(jì)以來(lái)形成了近代力學(xué),1900年直至1960年，力學(xué)隨著航空航天的發(fā)展形成了近代力學(xué)。 力學(xué)還解決了核爆炸中對(duì)猛烈炸藥爆轟的精密控制、強(qiáng)爆炸波的傳播、反應(yīng)堆的熱應(yīng)力等重要問(wèn)題。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,近代力學(xué)的新時(shí)代：力學(xué)+計(jì)算機(jī),20世紀(jì)60年代興起的有限元法，能夠?qū)⒁?/p>

16、個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)經(jīng)離散化處理為有限單元的組合后，計(jì)算機(jī)可以對(duì)這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)迅速計(jì)算出結(jié)果。有限元法是力學(xué)、數(shù)學(xué)、與計(jì)算機(jī)的巧妙結(jié)合，她一出現(xiàn)，就顯示出無(wú)比的優(yōu)越性，被廣泛地應(yīng)用于工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，例如汽車(chē)碰撞、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的服役過(guò)程模擬等這類(lèi)復(fù)雜的設(shè)計(jì)與計(jì)算，已成為現(xiàn)實(shí)。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,汽車(chē)碰撞護(hù)欄的計(jì)算機(jī)模擬,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,某載貨車(chē)前軸有限元分析 （東風(fēng)汽車(chē)工程研究院CAE室）,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,強(qiáng)風(fēng)吹圓柱的速度模擬,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,核電站煙囪整體有限元模型,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,核電站豎直煙囪固定支架與煙囪連接局部,分析核電站豎直煙囪在

17、龍卷風(fēng)和地震作用下的受力、變形、破壞情況。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,工程力學(xué)課程中所涉及兩部分內(nèi)容，是自然科學(xué)發(fā)展中長(zhǎng)期積累的經(jīng)典內(nèi)容；是人類(lèi)智慧的結(jié)晶，目前，仍是正確指導(dǎo)社會(huì)生產(chǎn)實(shí)際理論分析方法之一。,1.3 工程力學(xué)的研究方法, 建立力學(xué)模型 歸納和演繹 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),a) 建立力學(xué)模型,1.3 工程力學(xué)的研究方法,1.3 工程力學(xué)的研究方法,當(dāng)將下列圓環(huán)視為剛體時(shí)，力具有可傳性。,1.3 工程力學(xué)的研究方法,通過(guò)合理簡(jiǎn)化以建立力學(xué)模型，是進(jìn)行 理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)。在今后的學(xué)習(xí)中，我 們不僅要掌握一些基本的典型的力學(xué)模型的 建立方法，而且要善于將較復(fù)雜的研究對(duì)象 合理簡(jiǎn)化為分析模型，這

18、將有助于提高我們 的抽象思維和創(chuàng)新思維能力。,1.3 工程力學(xué)的研究方法,力的可傳性不適用于變形體,1.3 工程力學(xué)的研究方法,關(guān)于力的可傳性及其限制，在后續(xù)課程中將會(huì)介紹。,b) 歸納和演繹,演繹：利用一般的定理、定律和公式，對(duì)一個(gè)具體的問(wèn)題進(jìn)行演繹分析計(jì)算，獲得結(jié)果；（熟悉） 歸納：對(duì)具體物體的研究成果進(jìn)行總結(jié)提煉，尋找出具有普遍性的規(guī)律和結(jié)論，并獲得觸類(lèi)旁通分析方法。（不熟悉）,1.3 工程力學(xué)的研究方法,c) 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),對(duì)理論學(xué)習(xí)知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步深刻理解理論知識(shí)； 掌握力學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代測(cè)試方法 ，提高實(shí)際操作技能和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為今后的工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,1.3 工程力學(xué)的研究方法,1.4 工程力學(xué)的基本研究主線,受力分析及靜力平衡條件 變形的幾何相容條件 力與變形間的物理關(guān)系 上述三條既是基本的研究主線，也是本課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。,受